Brief aus England

Warum tragen Frankreich und Italien so wenig bei? Einige vermuten, dass sie – insgeheim – Wladimir Putin nicht verärgern wollen. Wenn das wahr ist, wäre das in der Tat beschämend. Meiner Meinung nach ist das Balkendiagramm auch eine Erinnerung daran, dass die USA für die europäische Sicherheit unverzichtbar bleiben.

Abb. 1: Militärische und finanzielle Hilfe für die Ukraine

In der Zwischenzeit geht der Krieg in der Ukraine munter weiter. Militärexperten sehen zumindest für die nächsten 6 Monate kein Ende. Beide Seiten bauen ihre Streitkräfte aus. Putin hat die Rekrutierung von 137.000 neuen Soldaten angeordnet, was die Größe des russischen Militärs auf 1,15 Millionen erhöhen wird, aber die tatsächliche Zahl (Soldaten und Zivilisten) liegt bei über 2 Millionen. Zum Vergleich: Die deutsche Armee umfasste (Stand Januar 2022) nur knapp 63.000 Mann, die britische Armee war nur geringfügig größer. Es stellt sich die Frage, wie es sich Russland mit einem BNP, das kleiner ist als Italien, leisten kann, ein so großes Militär zu unterhalten. Genauso gut könnte man sich fragen, warum es dies tut.

Ein Energiekrieg

Abb. 2: Russische Erdgasfackel bei Portovaya, in der Nähe von FinnlandWladimir Putin verweigert Europa das Erdgas und setzt darauf, dass wir in Europa vor dem Winter kapitulieren und die Sanktionen aufgeben, die der russischen Wirtschaft sicherlich schaden. Was geschieht mit all dem russischen Gas, das jetzt nicht mehr nach Europa kommt? Antwort: Ein großer Teil davon wird – beschämenderweise – abgefackelt, wodurch die globale Erderwärmung verstärkt wird. Abbildung 2 zeigt eine russische Gasfackel in Portovaya, nahe der russischen Grenze zu Finnland, wo schätzungsweise 4 Mio. Kubikmeter Erdgas pro Tag im Wert von ca. 9,5 Mio. Euro abgefackelt werden. Diese Gasfackeln sind so gewaltig, dass sie sogar aus dem Weltraum zu sehen sind.

Es gibt die Technologie, um das Abfackeln von Erdgas zu vermeiden und es in wertvolle Produkte umzuwandeln. Ein weltweit führendes Unternehmen auf diesem Gebiet ist die Evonik Industrie AG in Essen. Aber Russland hat kein Interesse an dieser Technologie.

Europa wehrt sich

Europa reagiert auf die russische Erpressung in vielerlei Hinsicht. In mehreren Ländern überdenken die Regierungen ihren früheren Widerstand gegen die Kernkraft. Der Bau neuer Anlagen würde bis zu 10 Jahre dauern, aber die Lebensdauer einiger bestehender Anlagen wird verlängert. Die Regierungen haben auch ihre Politik bezüglich der Öl- und Gasexploration in der Nordsee geändert. Deutschland baut neue Terminals für den Empfang von Flüssigerdgas (LNG) aus dem Nahen Osten oder vielleicht den USA. Die größte Erfolgsgeschichte ist jedoch die Windenergie, insbesondere im Offshore-Bereich. Als die ersten Windparks in der Nordsee gebaut wurden, bekamen die Betreiber ca. 190 Euro pro MWSt – weit mehr als für jede andere Energiequelle. Dieser Betrag wurde jedoch stetig gesenkt, und der jüngste Vertrag für neue Windparks in der Nordsee liegt bei ca. 40 Euro/MWSt – die mit Abstand günstigste Energiequelle, die heute verfügbar ist. Die Technologie hat sich kontinuierlich verbessert. Die ersten Windturbinen mussten in flachen Gewässern aufgestellt werden. Heute verfügt der neue schottische Windpark SeaGreen über die tiefsten fest installierten Turbinen der Welt, deren Fundamente 59 Meter unter der Wasseroberfläche liegen.

Sowohl in der Nordsee als auch anderswo auf der Welt werden neue Windparks gebaut. Ihre Technologie scheint sich nun der Reife zu nähern. Die nächste Generation von Windparks, die in bis zu 300 m tiefen Gewässern betrieben werden können, sind die schwimmenden Windparks. Diese können weiter vor der Küste errichtet werden, wo die Winde stärker und konstanter wehen. Der Mast, der die Turbine trägt, ist auf einer semi-tauchfähigen schwimmenden Plattform montiert. In einigen Fällen besteht diese aus Stahl, in anderen aus Beton. Heute gibt es ca. 20 verschiedene schwimmende Windparkprojekte. Das größte, das zur Zeit in Betrieb ist, ist die 50-MW-Anlage in Kincardine, Schottland. Abbildung 3 zeigt eine 9,5 MW Einheit. Derzeit sind schwimmende Windparks wirtschaftlich nicht wettbewerbsfähig, das dürfte sich aber, ähnlich wie es die Entwicklung von feststehenden Windparks gezeigt hat, noch ändern.

Vom Wind zu den Wellen

Abb. 4: Corpower Wave Energy Converter nutzen Wellenkraft zur Stomerzeugung Viele von uns sind schon einmal am Meer spazieren gegangen und haben an einem windigen Tag die Energie der Wellen gespürt, die auf den Strand prallen. Kann man diese Energie irgendwie nutzbar machen? Im Jahr 1974 erfand Prof. Stephen Salter von der Universität Edinburgh eine Maschine, die Wellenenergie gewinnt. Sie wurde als „nickende Ente“ bekannt. Sie funktionierte und diente dem schottische Unternehmen Pelamis, benannt nach einer Seeschlangenart, vielleicht als Inspiration. Die PelamisTechnologie basierte auf einer 180 m langen „Kette“ aus klappbaren Rohrstücken. Wenn die Wellen vorbeiziehen, öffnen und schließen sich die Scharniere, und diese Bewegung wird in Energie umgewandelt. Die Technologie funktionierte mehrere Jahre lang in großem Maßstab, aber 2014 ging Pelamis in Konkurs. Seitdem gibt es mehrere andere Unternehmen, auch in China, die ähnliche Technologien entwickelt haben. Ein etwas anderer Ansatz, der darauf beruht, dass Wellen in Ufernähe anschwellen und dann wieder zurückgehen, ist der sogenannte „Waveroller“ (http://aw-energy.com). Einen neuen erfolgversprechenden Ansatz verfolgt ein schwedisches Unternehmen mit portugiesischen Verbindungen. CorPower (https://corpowerocean.com) hat das Prinzip vor der portugiesischen Küste WEC (Wave Energy Converters) in großem Maßstab demonstriert. Es ist sehr einfach. Die schwimmenden Einheiten liegen auf der Meeresoberfläche, sind aber fest mit dem Meeresboden verankert. Wenn Wellen vorbeiziehen, heben und senken sich die Einheiten mit jeder vorbeiziehenden Welle, und diese wechselseitige Bewegung wird in eine Drehbewegung und damit in elektrische Energie umgewandelt. Jede Einheit kann bis zu 300 kW erzeugen, hat einen Durchmesser von 9 m, eine Höhe von 18 m und ein Gewicht von 70 t. Eine Corpower-„Farm“ mit mehreren Einheiten erzeugt ca. 15 MW/km². Abbildung 4 zeigt eine Corpower Einheit. Die „Hülle“ jeder Einheit besteht aus einem Kunststoffverbundwerkstoff. Eine Anlage für deren Herstellung wurde in Zusammenarbeit mit Experten vor Ort entwickelt. Das System verfügt über eine ausgeklügelte Elektronik, die u. a. die Einheiten bei stürmischem Wetter schützt. Die Corpower-Website ist voll von Informationen – nur ein kleines Detail fehlt, nämlich die Kosten dieser Technologie und die Strommenge, die sie produziert. Kann sie mit Windturbinen zu 40 Euro/MWSt konkurrieren? Ocean Energy Europe (https://www.oceanenergy-europe.eu) glaubt, dass sie es kann, und sieht 100 GW Wellenenergie bis 2050 voraus.

Fazit: Der Anteil erneuerbare Energie nimmt zu. Dank Wladimir Putin wird dies nun beschleunigt. Es mag 8 bis 10 Jahre dauern, aber langfristig wird Russland der Verlierer sein. Da die Windenergie nun eine fast ausgereifte Technologie ist, richtet sich der Fokus auf weitere Quellen erneuerbarer Energie wie die Wellenenergie. Neben ihr gibt es noch die Gezeitenenergie, ebenfalls mit vielen Projekten. Doch auch hier ist noch nicht sicher, ob sie sich als wirtschaftlich attraktiv erweisen wird.

Wenn die Krankenschwester uns zu Hause besucht

Abb. 5: Krankenschwestern sind mit intelligenten Headsets ausgestattet Millionen von Menschen verlassen sich darauf, dass Krankenschwestern sie zu Hause besuchen, um sich um ihre Gesundheit zu kümmern, sei es, um den Blutdruck zu messen oder die Wundheilung zu überprüfen. Ihre Zeit ist kostbar, und wenn diese Krankenschwestern ihre Aufgaben erledigt haben, verbringen sie weitere Zeit damit, ihre Ergebnisse aufzuzeichnen. In England läuft jetzt ein Versuch, bei dem die Krankenschwestern mit Virtual-Reality-Headsets ausgestattet werden, um sie zu unterstützen. Diese Headsets können Live-Bilder an ihre medizinischen Kollegen übertragen und ermöglichen auch Wärmebilder, so dass z. B. Entzündungen oder infizierte Wunden erkannt werden können. Außerdem können die Pflegerinnen und Pfleger damit Daten elektronisch erfassen, so dass handschriftliche Notizen nicht mehr nötig sind. Die Brille mit dem Namen A.Consult wurde von der britischen Firma Concept Health (https://concepthealth.co.uk) entwickelt und verfügt nicht nur über eingebaute Kameras, sondern auch über eine Software mit künstlicher Intelligenz, die dabei hilft, den Heilungsprozess von Wunden und Verletzungen zu beurteilen. Das Headset kann Terminhinweise wie Blutdruckmessungen und Rezepte direkt in die elektronische Patientenakte übertragen. Dank ihrer KI-Software lernen die Headsets Details über Verfahren, sowohl allgemein als auch für jeden einzelnen Patienten. Das neue Headset ist in Abbildung 5 dargestellt.

Der Fluch in unseren Küchen

Die meisten von uns haben in ihren Küchen sogen. „Antihaft“-Bratpfannen und andere Küchenutensilien. Sie sind in der Regel mit einem Film aus PFAs – Poly/Perfluoralkylen – beschichtet, die manchmal als „Ewigkeitschemikalie“ bezeichnet werden, weil sie nahezu unzerstörbar sind. In der Küche ist das in Ordnung – aber sobald sie weggeworfen werden, entstehen Probleme.

Studien haben bereits gezeigt, dass diese Chemikalien viele Kohlenstoff-Fluor-Bindungen enthalten – die stärksten Bindungen in der organischen Chemie. Sie können nicht von Bakterien abgebaut werden, können nicht durch Feuer verbrannt werden und sind wasserbeständig, was sie für die Pharma- und Lebensmittelindustrie nützlich macht. Experten haben PFAs – Polyfluoralkyl- und Perfluoralkylsubstanzen – mit Fehlgeburten, einem geringeren Geburtsgewicht, einer geringeren Spermienqualität, einer verzögerten Pubertät, einer verfrühten Menopause und einer verminderten Immunreaktion auf eine Tetanusimpfung in Verbindung gebracht. Wissenschaftler der Northwestern University in den USA wollen jedoch einen Durchbruch erzielt haben, nachdem sie einen Weg gefunden haben, diese Stoffe mit billigen Produkten zu zerstören. Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Ergebnisse zeigen einen neuen Mechanismus zum Abbau der Substanzen mit Hilfe von Natriumhydroxid. Bei dem Verfahren werden die PFAs mit Natriumhydroxid in Dimethylsulfoxid auf etwa 100 °C erhitzt, wodurch ein Teil des Moleküls „geköpft“ und die chemischen Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Fluoratomen zerstört werden. Zurück bleiben dann nur noch harmlose Produkte. PFAs sind seit ihrer Einführung in den 1940er-Jahren allgegenwärtig und wurden weltweit in geringen Mengen im Regenwasser nachgewiesen. Nach einem Fall in den USA, der 2019 durch den Film Dark Waters mit Mark Ruffalo in der Hauptrolle bekannt wurde, brachte eine Studie PFAs mit hohem Cholesterinspiegel, Colitis ulcerosa, Schilddrüsenerkrankungen, Hodenkrebs, Nierenkrebs und schwangerschaftsbedingtem Bluthochdruck in Verbindung. Die Natriumhydroxid-Methode wurde auf die zehn bekanntesten Arten von PFAs angewandt, doch die US-Umweltschutzbehörde hat mehr als 12.000 identifiziert. Es gibt andere Klassen, die nicht dieselbe Achillesferse haben, aber jede hat ihre eigene Schwäche.

Trang, B. et al: Niedertemperatur-Mineralisierung von Perfluorcarbonsäuren, DOI: 10.1126/science.abm8868

Die Sonne nutzen – der Weg der Natur

Abb. 6: Demonstration der künstlichen Photosynthese in Cambridge, UK Elektrizität aus Sonnenkollektoren spielt bereits eine große Rolle beim Übergang zu einer „grünen“ Wirtschaft. Doch an der Universität Cambridge (UK) entwickeln Wissenschaftler einen ganz anderen Ansatz, indem sie die Photosynthese nachahmen. Sie haben künstliche Blätter entwickelt, die aus Sonnenlicht, Wasser und CO₂ einen flüssigen Brennstoff erzeugen. Die ultradünnen, leichten und flexiblen Geräte nutzen eine Solartechnologie, die die Photosynthese nachahmt, also den Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht in Nahrung umwandeln, um einen kohlenstoffneutralen Brennstoff zu erzeugen. Während die Blätter auf der Wasseroberfläche schwimmen, wandeln sie Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser in einen flüssigen Brennstoff um, der gespeichert werden kann. Wissenschaftler der Universität haben 2019 einen Prototyp entwickelt, der jedoch zu „sperrig“ war, um ihn für eine kommerzielle Nutzung in größerem Maßstab einzusetzen. Der ursprüngliche Entwurf verwendete dicke Glassubstrate und Feuchtigkeitsschutzschichten, was ihn schwer und zerbrechlich machte. In den letzten Jahren haben sie das Gerät mit Hilfe von Miniaturisierungstechniken so umgestaltet, dass es leicht genug ist, um auf dem Wasser zu schwimmen. Kürzlich gaben die Forscher bekannt, die Blätter erfolgreich getestet zu haben, indem sie sie auf dem Fluss Cam platziert haben (Abb. 6), was zeigte, dass sie Sonnenlicht so „effizient wie Pflanzenblätter“ in Brennstoffe umwandeln können.

Es sei das erste Mal, dass sauberer Treibstoff auf dem Wasser erzeugt worden sei, so die Forscher, und fügten hinzu, dass die schwimmenden Treibstofferzeuger in größerem Maßstab auf verschmutzten Wasserwegen, in Häfen oder sogar auf See eingesetzt werden könnten, wo sie dazu beitragen könnten, die Abhängigkeit der weltweiten Schifffahrtsindustrie von fossilen Brennstoffen zu verringern. „Solarfarmen sind für die Stromerzeugung populär geworden; wir stellen uns ähnliche Farmen für die Kraftstoffsynthese vor“, sagte Dr. Virgil Andrei von der Yusuf Hamied-Abteilung für Chemie an der University of Cambridge. „Sie könnten Küstensiedlungen und abgelegene Inseln versorgen, Industrieteiche abdecken oder die Verdunstung von Wasser aus Bewässerungskanälen verhindern.“ Die Blätter funktionieren, wenn Wasser und CO₂ vorhanden sind und Sonnenlicht auf eine Platte trifft, die mit einem Halbleiterpulver beschichtet wurde. Es absorbiert das Licht, und die Elektronen in der Platte werden „angeregt“, bevor sie sich mit dem CO₂ verbinden. Aus dem Wasser werden Protonen freigesetzt, die dann das CO₂ reduzieren, und durch eine chemische Reaktion entsteht Ameisensäure, die gespeichert werden kann. Der Mechanismus ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abb. 7: Mechanismus der künstlichen Photosynthese

Das Entwicklungsteam in Cambridge wird von Professor Erwin Reisner geleitet, der hofft, dass die Technologie die Schifffahrtsindustrie revolutioniert. Aktuell transportieren mit fossilen Brennstoffen betriebene Frachtschiffe 80 % des Welthandels. „Wenn wir das Gewicht der Materialien so weit reduzieren können, dass sie leicht genug sind, um zu schwimmen, eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für den Einsatz dieser künstlichen Blätter“, so Reisner und fügte hinzu: „Viele Technologien für erneuerbare Energien, darunter auch Solarzellen, erfordern große Flächen, so dass eine Verlagerung der Kraftstoffproduktion auf offene Gewässer bedeuten würde, dass saubere Energie und Landnutzung nicht miteinander konkurrieren. Theoretisch könnte man diese Geräte zusammenrollen und fast überall aufstellen, in fast jedem Land, was auch zur Energiesicherheit beitragen würde.“ Das Team hatte die Aufgabe, einen Weg zur Verkleinerung ihres ursprünglichen Entwurfs zu finden, indem es Lichtabsorber auf leichten „Substraten“ anbrachte, die gegen das Eindringen von Wasser geschützt sind. Sie verwendeten Dünnschicht-Metalloxide und Perowskite, die auf flexible Kunststoff- und Metallfolien aufgetragen werden können, und überzogen sie mit mikrometerdünnen, wasserabweisenden Schichten auf Kohlenstoffbasis, die den Feuchtigkeitsabbau verhindern. „Diese Studie zeigt, dass künstliche Blätter mit modernen Herstellungstechniken kompatibel sind, was einen ersten Schritt in Richtung Automatisierung und Skalierung der Solartreibstoffproduktion darstellt“, sagte Andrei. „Diese Blätter vereinen die Vorteile der meisten Solartreibstofftechnologien, da sie das geringe Gewicht von Pulversuspensionen und die hohe Leistung von verdrahteten Systemen erreichen“. Die Blätter sind noch nicht reif für kommerzielle Anwendungen, da noch weitere Verbesserungen vorgenommen werden müssen, einschließlich der Entwicklung einer Methode zum Auffangen des Brennstoffs aus dem Blatt.

Auch andere Wissenschaftler versuchen, den photosynthetischen Prozess in Blättern nachzuahmen. Eine solche Studie ist:

Dogutan, D.; Nocera, D.: Artificial Photosynthesis at Efficiencies Greatly Exceeding That of Natural Photosynthesis, DOI: https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00380

Windturbinen – ein letztes Wort

Wer weiß schon, wie lange Offshore-Windkraftanlagen halten werden? Was wir wissen, ist, dass ihre riesigen Flügel eine begrenzte Lebensdauer haben können. Manchmal werden sie beschädigt, in anderen Fällen werden sie durch aerodynamisch effizientere Flügel ersetzt. Nach Angaben von Bloomberg NEF werden in Europa jedes Jahr etwa 3800 dieser Flügel ersetzt. Die meisten werden offenbar auf Deponien entsorgt, obwohl eine Alternative darin bestünde, sie zu beschweren und auf den Meeresgrund zu schicken. Ein anderer Ansatz wurde letzten Monat auf der Tagung der American Chemical Society von Forschern der State University of Michigan vorgestellt. Sie haben einen neuen Verbundwerkstoff entwickelt, der aus einer Mischung von Polymeren auf Pflanzenbasis und synthetischen Polymeren besteht und mit Glasfasern verstärkt ist. Sie zeigten, dass dieser neue Verbundwerkstoff am Ende seiner Lebensdauer aufgelöst und das Harz dann wiederverwendet werden kann. So könnte das Material zerkleinert und mit mineralischen Füllstoffen gemischt werden, um Küchenarbeitsplatten oder Küchenspülen herzustellen. Durch basisches Auflösen des Harzes könnte ein neues Polymer zur Herstellung von Fensterrahmen oder Kunststoffabdeckungen für Pkw-Rückleuchten entwickelt werden. Mit einer alkalischen Behandlung kann Kaliumlactat hergestellt werden, das nach einer Reinigung zur Herstellung von Bonbons oder Sportgetränken verwendet werden könnte – um das Recyclingpotenzial zu demonstrieren, präsentierte Professor John Dorgan das Projekt mit Lutscher im Mund.